铝锂合金的焊缝组织与开裂敏感性研究

7075-T6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展特性1陈加华1，杨新岐1，吴海亮1，栾国红21天津大学材料科学与工程学院，北京 (300072)2中国搅拌摩擦焊中心北京搅拌摩擦焊技术有限公司，北京 (100024)E-mail：chenjiahua2008@!摘要：搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型固相连接技术在铝合金等轻型合金连接方面具有很大的优势，建立合理有效的疲劳评定标准是FSW技术推广和应用的必要条件。

本文通过对7075-T6FSW接头不同位置的疲劳裂纹扩展速率进行实验，来研究铝合金FSW接头的疲劳性能。

实验结果表明：后退边HAZ疲劳裂纹扩展速率最慢，而垂直于焊缝区的扩展速率则最快；焊缝中心区的扩展速率在低△K区会低于前进边HAZ，而到裂纹扩展后期，疲劳裂纹扩展速率会高于前进边HAZ；与IIW标准的推荐值相比，所有区域的疲劳裂纹扩展速率均显著低于推荐值，这说明FSW接头的疲劳性能较好。

关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；疲劳裂纹扩展速率；焊接缺陷1．引言进入21世纪，能源问题已经成为世界上所有国家经济发展的制约因素，节约能源成为大家的共识，而构件轻量化是其中重要途径，铝合金的使用能大大减轻构件的重量。

铝合金材料具有比强度高，耐腐蚀和易成形等一系列优点，如7xxx系列，在航空、航天、高速列车和高速舰船等工业制造领域得到越来越广泛的应用。

但是，铝合金具有熔点低、热传导系数较大、热膨胀率高等特点，如采用传统熔焊连接时，将很难保证接头质量[1]。

搅拌摩擦焊（Fiction Stir Welding, 简称FSW）是英国焊接研究所（TWI）1991年发明的新型固相连接技术，并在全世界范围内申请了专利保护[2]，被誉为是继激光焊接后最为革命性的连接方法。

国内外已有大量实验证明：FSW技术能很好地连接铝合金，且接头强度比熔焊有很大提高。

但在国内关于搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究的文献还非常之少，尤其是疲劳裂纹扩展速率的文章。

铝合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。

除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝合金焊接在一起。

铝合金常用焊接方法的特点及适用范围见表1。

应根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。

（1）气焊氧－乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。

用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷。

这种方法只用于厚度范围在0.5～10㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上。

（2）钨极氩弧焊这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。

钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。

（3）熔化极氩弧焊自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2～3倍。

可以焊接厚度在50㎜以下的纯铝及铝合金板。

例如，焊接厚度30㎜的铝板不必预热，只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。

半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。

（4）脉冲氩弧焊1）钨极脉冲氩弧焊用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。

焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。

2）熔化极脉冲氩弧焊可采用的平均焊接电流小，参数调节范围大，焊件的变形及热影响区小，生产率高，抗气孔及抗裂性好，适用于厚度在2～10㎜铝合金薄板的全位置焊接。

（5）电阻点焊、缝焊可用来焊接厚度在4㎜以下的铝合金薄板。

目录1 绪论 (1)1.1断口分析的意义 (1)1.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析 (1)1.3研究方法和实验设计 (3)1.4预期结果和意义 (3)2 实验过程 (4)2.1 生产工艺 (4)2．1.1 加料 (4)2.1.2 精炼 (4)2.1．3 保温、扒渣和放料 (5)2.1. 4 单线除气和单线过滤 (5)2.1. 5连铸 (6)2.2 实验过程 (6)2.2. 1 试样的选取 (6)2.2.2 金相试样的制取 (8)2.2.3 用显微镜观察 (9)2.3 观察方法 (10)2.3.1显微组织的观察 (10)2.3.2 对断口形貌的观察 (11)3 实验结果及分析 (11)3.1对所取K模试样的观察 (11)3.2 金相试样的观察及分析 (12)3.2.1 对显微组织的观察 (12)3.2.2 断口缺陷 (15)结论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)附录 (27)1 绪论1.1断口分析的意义随着现代科技的发展以及现代工业的需求，作为21世纪三大支柱产业的材料科学正朝着高比强度，高强高韧等综合性能等方向发展。

长久以来，铸造铝合金以其价廉、质轻、性能可靠等因素在工业应用中获得了较大的发展。

尤其随着近年来对轨道交通材料轻量化的要求日益迫切[1]，作为铸造铝合金中应用最广的A356铝合金具有铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小，经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能[2-3]，与钢轮毂相比，铝合金轮毂具有质量轻、安全、舒适、节能等，在汽车和航空工业上得到了日益广泛的应用[4]。

然而，由于其凝固收缩，同时在熔融状态下很容易溶入氢，因此铸造铝合金不可避免地包含一定数量的缺陷，比如空隙、氧化物、孔洞和非金属夹杂物等[5-7]。

这些缺陷对构件的力学性能影响较大，如含1%体积分数的空隙将导致其疲劳50%，疲劳极限降20%[8-9]。

所以研究构件中缺陷的性质、数量、尺寸和分布位置对力学性能的影响具有重要意义[10]。

铝锂合金新材料应用研究浅析摘要：大型民用飞机结构设计中，铝锂合金结构设计既要重量轻，又要满足静强度和耐久性/疲劳损伤容限要求；既要满足适航条例25部及相关咨询通告的要求，又要考虑结构的经济性、高出勤率和低维护成本的要求。

本论文在参与C项目工作的基础上，对铝锂合金材料机身工程结构设计应用中所开展的一些材料性能工艺试验、组部件典型结构试验方法等进行了分析和总结，对国内探索大型民用飞机结构设计新材料的应用做有益的尝试。

关键词：铝锂合金工艺试验疲劳损伤容限试验1 引言现代民用飞机设计面临的主要任务是以最小结构重量保证飞机的完整性、经济性、安全性与可靠性。

对飞机性能、安全性和经济性等日益增长的要求，促进了很多新型材料的研究发展及应用。

航空工业对产品性能和重量指标的要求，使得材料的发展也异常迅猛，确保与航空产品研制相互促进，相互依赖。

飞机在运营中暴露在各种不同环境。

为确保飞机在运行过程中不遭受破坏，设计出满足性能要求的高效结构，必须深入了解所用材料在不同载荷及环境下的行为，在材料选取和结构设计、强度验证中使用具有统计有效的材料性能数据。

在竞争日益激烈的民用飞机市场里，客户要求飞机具有较高的出勤率和较低的维护成本，同时又要保证飞机的经济性，降低燃油消耗。

随着人们对出行安全的越来越高的要求，适航部门要求飞机在整个服役期内能有应对各种可能发生的情况，保证乘客及飞机安全。

2 新型铝锂合金技术优势铝锂合金是近十年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域，90年代后，进入了三代铝锂合金的研究时代。

在合金设计成分上，第三代铝锂合金降低了Li含量，而增加了Cu含量，并且添加一些新的合金元素Ag、Mn、Zn等；在性能水平上较以往铝锂合金有了较大幅度提高。

新型铝锂合金主要产品形式为中厚板、薄板、挤压型材等，规格种类相对较为单一，已经获得适航认证在飞机上使用的牌号主要有美铝2099、2199、2397和加铝的2196、2198等，新型铝锂合金在机身的主要的应用部位为机身蒙皮、长桁、框、地板梁、座椅滑轨、梁、腹板等。